Kineettinen energia on liikkeessä olevan massan energia. Kohteen kineettinen energia on energia, joka sillä on liikkeensa vuoksi.

Newtonilaisessa (klassisessa) mekaniikassa, joka kuvaa makroskooppisia esineitä, jotka liikkuvat pienellä murto-osalla valon nopeudesta, massiivisen liikkuvan kineettinen energia (E) voidaan laskettuna puolena sen massasta (m) kertaa sen nopeuden neliö (v): E = ½mv2. Huomaa, että energia on skalaarinen määrä, ts. Se ei riipu suunnasta, ja se on aina positiivinen. Kun kaksinkertaistamme massan, tuplamme energian; kuitenkin, kun kaksinkertaistamme nopeuden, energia kasvaa kertoimella neljä.

Tule töihin

Kineettisen energian ehkä tärkein ominaisuus on sen kyky tehdä työtä. Työ määritellään voimaksi, joka vaikuttaa esineeseen liikkeen suunnassa. Työ ja energia ovat niin läheisessä yhteydessä toisiinsa, että ne ovat keskenään vaihdettavissa. Vaikka liikeenergia ilmaistaan tavallisesti muodossa E = ½mv2, työn (W) ajatellaan olevan enemmän voimaa (F) kertaa etäisyyttä (d): W = Fd. Jos haluamme muuttaa massiivisen kohteen kineettistä energiaa, meidän on tehtävä työtä sen kanssa.

Esimerkiksi painavan esineen nostamiseksi meidän on tehtävä työtä painovoimasta johtuvan voiman voittamiseksi ja kohteen siirtämiseksi ylöspäin. Jos esine on kaksi kertaa niin raskas, sen nostaminen samalla etäisyydellä vie kaksi kertaa enemmän työtä. Saman esineen nostaminen kaksinkertaisesti vie myös kaksi kertaa enemmän työtä. Vastaavasti painavan esineen liu’uttamiseksi lattian yli meidän on voitettava esineen ja lattian välinen kitkavoima. Vaadittu työ on verrannollinen kohteen painoon ja liikkuvaan etäisyyteen. (Huomaa, että jos kannat pianoa selälläsi käytävällä, et todellakaan tee mitään todellista työtä.)

Potentiaalinen energia

Kineettistä energiaa voidaan tallentaa. Esimerkiksi painon nostaminen ja asettaminen hyllylle tai jousen puristaminen vaatii työtä. Mitä sitten tapahtuu energialle? Tiedämme, että energiaa säästetään, ts. Sitä ei voida luoda tai tuhota; se voidaan muuntaa vain muodosta toiseen. Näissä kahdessa tapauksessa kineettinen energia muuttuu potentiaaliseksi energiaksi, koska vaikka se ei tosiasiallisesti tee työtä, sillä on potentiaalia tehdä työtä. Jos pudotamme kohteen hyllystä tai vapautamme jousen, potentiaalinen energia muuttuu takaisin kineettiseksi energiaksi.

Kineettistä energiaa voidaan siirtää myös kehosta törmäyksessä, joka voi olla joustava tai joustamaton. Yksi esimerkki joustavasta törmäyksestä olisi yksi biljardipallo iski toiseen. Hylkäämättä pallojen ja pöydän välinen kitka tai mikä tahansa lyöntipallolle annettu pyöritys, ihannetapauksessa kahden pallon kokonaiskineettinen energia törmäyksen jälkeen on yhtä suuri kuin lyöntipallon liike-energia ennen törmäystä.

Esimerkki joustamattomasta törmäyksestä voi olla liikkuva junavaunu, joka törmää vastaavaan paikallaan olevaan vaunuun ja kytkeytyy siihen. Kokonaisenergia säilyisi samana, mutta uuden järjestelmän massa kaksinkertaistui. Tuloksena olisi, että kaksi autoa jatkaisivat samaan suuntaan pienemmällä nopeudella siten, että mv22 = ½mv12, missä m on yhden auton massa, v1 on ensimmäisen auton nopeus ja v2 on kytkettyjen autojen nopeus jälkeen törmäys. Jakamalla m ja ottamalla molempien sivujen neliöjuuri saadaan v2 = √2 / 2 ∙ v1. (Huomaa, että v2 ≠ ½v1.)

Lisäksi kineettinen energia voidaan muuntaa muuhun energiamuotoon ja päinvastoin. Esimerkiksi kineettinen energia voidaan muuntaa sähköenergiaksi generaattorilla tai lämpöenergiaksi auton jarrujen avulla. Päinvastoin, sähköenergia voidaan muuntaa takaisin kineettiseksi energiaksi sähkömoottorilla, lämpöenergia voidaan muuntaa kineettiseksi energiaksi höyryturbiinin avulla ja kemiallinen energia voidaan muuntaa kineettiseksi energiaksi polttomoottorilla.

Jim Lucas on freelance-kirjailija ja toimittaja, joka on erikoistunut fysiikkaan, tähtitieteeseen ja tekniikkaan. Hän on Lucas Technologiesin toimitusjohtaja.